專利名稱：用于光譜系統(tǒng)的自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)一個(gè)所關(guān)心的容積進(jìn)行光譜分析的領(lǐng)域。
將光譜學(xué)技術(shù)用于分析目的本身可從現(xiàn)有技術(shù)中獲悉。在WO02/057758 A1和WO 02/057759 A1中示出了一種光譜分析裝置，用于對(duì)人體毛細(xì)血管中流動(dòng)的血液成分進(jìn)行體內(nèi)非侵入的光譜分析。優(yōu)選地，可通過利用共焦拉曼光譜法來實(shí)現(xiàn)光譜分析，從而測(cè)量體內(nèi)血液中分析物的濃度。為了獲取可檢測(cè)光譜信號(hào)的高信噪比或信號(hào)-背景比，將共焦測(cè)量容積完全或至少大部分地置于血管內(nèi)部是有利的。這需要對(duì)人體皮膚表面下的毛細(xì)血管精確定位。由于采用共焦檢測(cè)的方案，不僅需要知道毛細(xì)血管的橫向位置，而且還需要知道毛細(xì)血管在皮膚表面下的深度。
位于接近皮膚表面的毛細(xì)血管典型地具有大約10μm的直徑。諸如拉曼信號(hào)的共焦測(cè)量容積能夠恰當(dāng)?shù)叵薅ㄔ谝粋€(gè)容積內(nèi)的所有三個(gè)維度中，該容積可小至5×5×5μm3。將這種小共焦測(cè)量容積定位在典型毛細(xì)血管的中心，可允許收集光譜信號(hào)，該光譜信號(hào)具有來自周圍表皮組織中的可忽略的背景信號(hào)的特征。將共焦測(cè)量容積精確定位在毛細(xì)血管的中心需要在所有三維空間中大約1μm的位置分辨率。
此外，由于光譜數(shù)據(jù)的獲取至少需要幾秒，因此必須考慮在獲取數(shù)據(jù)期間可能的人體移動(dòng)。因此，為了保持共焦測(cè)量容積在所選的毛細(xì)血管中的位置，需要光譜系統(tǒng)跟蹤這種移動(dòng)。
用于體內(nèi)非侵入血液分析的光譜系統(tǒng)，利用了共焦檢測(cè)方案，該系統(tǒng)需要對(duì)共焦測(cè)量容積的充分跟蹤，以用于確定毛細(xì)血管的位置和跟蹤毛細(xì)血管的任何移動(dòng)。毛細(xì)血管(即所關(guān)心容積)的橫向位置的確定，有效地利用了成像技術(shù)，例如共焦激光掃描顯微鏡方法(CLSM)或正交偏振光譜成像(OPS成像)。
CLSM技術(shù)基于激光光點(diǎn)掃描，所述掃描在所有三個(gè)空間方向上經(jīng)過皮膚容積。毛細(xì)血管特別是血管能夠被有效辨別，是由于其與周圍組織相比具有不同的反射特性。因?yàn)镃LSM利用了共焦檢測(cè)方案，血管的深度，即其與皮膚表面的距離能夠被精確確定。這種CLSM系統(tǒng)不僅昂貴，體積龐大，并且以相當(dāng)?shù)偷膸l工作。因此，血管位置的確定變得非常的時(shí)間密集。
而OPS成像又基于皮膚內(nèi)光的散射。由于在血液中光的吸收，血管在OPS圖像中呈暗色。利用這種具有低數(shù)值孔徑(NA)特征的成像技術(shù)，允許獲得大塊皮膚相對(duì)較大的橫向面積。這種橫向圖像對(duì)于確定血管的橫向位置是足夠的，但是由于數(shù)值孔徑低，會(huì)造成焦深較大。因此，成像血管的深度只能不充分地確定。這樣OPS成像雖然提供了血管橫向的精確定位，但僅能提供血管深度的粗糙定位。
在成像系統(tǒng)的對(duì)比中，從小共焦測(cè)量容積中獲取光譜信號(hào)需要大數(shù)值孔徑，以在所有三個(gè)空間方向上產(chǎn)生足夠小的聚焦點(diǎn)。此外，利用大數(shù)值孔徑可允許高深度分辨率的實(shí)現(xiàn)。
對(duì)比文件WO 01/39665 A2公開了一種用于保持拉曼激發(fā)源的焦點(diǎn)焦深和位置的方法和裝置，而沒有考慮是否使用了成像光收集系統(tǒng)。該方法和裝置提供了一種從對(duì)象活組織中獲得光譜信息的方法。該方法包括用具有激發(fā)波長(zhǎng)的光照射在對(duì)象中所關(guān)心的組織，所述光來自光源并通過第一可調(diào)整透鏡，然后使所述組織射出的光譜通過第二可調(diào)整透鏡。然后對(duì)該通過第二可調(diào)整透鏡的光譜進(jìn)行收集和分析，以確定與所關(guān)心分析物相關(guān)的目標(biāo)信號(hào)。該方法還包括從目標(biāo)信號(hào)中得到校正信號(hào)，并根據(jù)該校正信號(hào)調(diào)節(jié)第一可調(diào)整透鏡或第二可調(diào)整透鏡的位置，以使目標(biāo)信號(hào)得到加強(qiáng)。
優(yōu)選地，該方法利用拉曼光譜法，特別是利用分析光譜和調(diào)整透鏡位置，以加強(qiáng)由光譜所確定的目標(biāo)信號(hào)。該方法和裝置利用兩個(gè)分別的透鏡，以借助于激發(fā)光束來照射所關(guān)心的組織，并用來收集由該組織射出的光譜。
因此利用拉曼光譜來對(duì)共焦測(cè)量容積進(jìn)行深度對(duì)準(zhǔn)是顯而易見的。拉曼光譜的分析實(shí)際上示出了在測(cè)量容積中的血量和/或周圍組織的量。但是，其有一個(gè)主要的缺點(diǎn)。由于拉曼散射是一個(gè)效率非常低的過程，將會(huì)需要至少幾秒來收集足夠的光譜信號(hào)，以允許在血液和皮膚組織之間進(jìn)行辨別。由于這樣一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間間隔，對(duì)于血管跟蹤的光譜信號(hào)的分析是幾乎完全不夠的。該跟蹤系統(tǒng)將會(huì)太慢而無法跟隨人體的移動(dòng)。最終，降低用于檢測(cè)光譜信的檢測(cè)器的讀數(shù)周期將極大地增大取得的光譜數(shù)據(jù)的讀出噪聲，該檢測(cè)器即電荷耦合裝置(CCD)芯片。
因此，本發(fā)明提供一種改善的自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)，該自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)用于對(duì)準(zhǔn)光譜系統(tǒng)的共焦測(cè)量容積的深度，從而確定所關(guān)心容積的性質(zhì)。
本發(fā)明提供一種光譜系統(tǒng)，用于確定所關(guān)心容積的性質(zhì)。該所關(guān)心容積具有隨時(shí)間變化的光學(xué)性質(zhì)并且光譜系統(tǒng)包括一個(gè)測(cè)量單元。該測(cè)量單元根據(jù)在第一和第二時(shí)間間隔的期間測(cè)量的至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)來確定所關(guān)心容積的位置。光譜系統(tǒng)還包括用于將激發(fā)光束聚焦在所關(guān)心容積中的聚焦裝置和用于檢測(cè)來自所關(guān)心容積的用于光譜分析的返回輻射的檢測(cè)裝置。
本發(fā)明有效地利用了所關(guān)心容積的光學(xué)性質(zhì)。特別是本發(fā)明有效地利用了生物物質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)的時(shí)間變化或時(shí)間波動(dòng)，該生物物質(zhì)例如為血液，特別是紅血球。在近紅外線(NIR)波長(zhǎng)范圍，紅血球的反射率顯著大于血漿的反射率。因此，如果紅血球流經(jīng)毛細(xì)血管，通過將NIR光束引導(dǎo)入毛細(xì)血管內(nèi)，能夠觀察到彈性散射光量的強(qiáng)烈波動(dòng)，該彈性散射光即反射光。在沒有血球的情況下，反射較少。當(dāng)紅血球經(jīng)過由NIR輻射照射的毛細(xì)管時(shí)，反射會(huì)顯著增加。由于紅血球具有環(huán)形幾何形狀，其與光譜系統(tǒng)的典型的共焦測(cè)量容積的尺寸相當(dāng)，因此反射光量強(qiáng)烈地依賴于紅血球的存在與否。通過假定毛細(xì)血管直徑、血流和紅血球的濃度的典型參數(shù)，紅血球在毛細(xì)血管中的流量能夠確定為每秒大約幾百個(gè)細(xì)胞。
因此，反射光強(qiáng)度的強(qiáng)烈波動(dòng)可以出現(xiàn)在毫秒的時(shí)標(biāo)中。優(yōu)選地，流經(jīng)生物管狀結(jié)構(gòu)的流體的光學(xué)性質(zhì)，是由激發(fā)光束的彈性散射光即反射光來確定的，而不是通過分析光譜信號(hào)即返回輻射來確定的，由于無彈性散射過程，例如斯托克斯散射或反斯托克斯散射，該返回輻射相對(duì)于激發(fā)光束被頻移。
優(yōu)選地，所關(guān)心容積的橫向位置通過一個(gè)獨(dú)立的成像系統(tǒng)確定，例如正交偏振光譜成像(OPSI)、共焦視頻顯微鏡方法(CVM)、光學(xué)相干層析X射線照相法(OCT)、共焦激光掃描顯微鏡方法(CLSM)、基于多普勒成像和基于超聲波成像。相應(yīng)的成像技術(shù)在US60/262582、US09/912127、EP 03100689.3和EP 03102481.3中公開，其全文在這里參考引入。
優(yōu)選地在一時(shí)間間隔中利用測(cè)量至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)，來確定所關(guān)心容積的深度，由此來確定平面的位置，為了理想地與所關(guān)心容積匹配，激發(fā)光束必須聚焦于該平面上。因此，至少第一和第二容積中的至少一個(gè)必須至少部分地與所關(guān)心容積重疊。確定的至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)由第一和第二容積與所關(guān)心容積之間的重疊度表示出。由于已知至少第一和第二容積的位置，所關(guān)心容積的位置能夠充分確定。例如，即使當(dāng)?shù)谝蝗莘e部分地與所關(guān)心容積重疊而第二容積并不與所關(guān)心容積重疊時(shí)，充分確定所關(guān)心容積的位置大體上是可能的。
一旦所關(guān)心容積的位置通過利用例如生物流體的光學(xué)性質(zhì)得以確定，光譜系統(tǒng)的聚焦裝置將適用于將激發(fā)光束聚焦在所關(guān)心容積中。此外，光譜系統(tǒng)利用其檢測(cè)裝置從所關(guān)心容積中獲取光譜數(shù)據(jù)，所關(guān)心容積規(guī)定了一特定結(jié)構(gòu)或一特定物質(zhì)，例如血管。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，測(cè)量單元還適用于檢測(cè)來自至少第一和第二容積的至少第一和第二測(cè)量返回輻射。該第一和第二測(cè)量返回輻射表示第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)。該第一和第二測(cè)量返回輻射自第一和第二容積發(fā)出。特別是，當(dāng)?shù)谝换虻诙莘e中的任意一個(gè)至少部分地與所關(guān)心容積重疊時(shí)，所關(guān)心容積的位置能夠被充分確定。
測(cè)量輻射能夠在分離光源的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，該光源提供一種不同于激發(fā)輻射的輻射。例如，能夠使用由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的光。作為選擇，分離光源能夠?qū)崿F(xiàn)專門用于提供第一和第二容積的照射，以產(chǎn)生足夠的測(cè)量返回輻射。
此外，激發(fā)光束的輻射能夠有效地用作第一和第二返回輻射，該激發(fā)光束在第一和第二容積被彈性散射。這樣，能夠有效地利用用于產(chǎn)生激發(fā)光束的現(xiàn)有光源。
優(yōu)選地，至少第一和第二容積的位置，特別是深度能夠任意移位，以允許測(cè)量在不同位置的彈性散射，例如在皮膚的表面下。在彈性散射信號(hào)中的大波動(dòng)表示紅血球的流動(dòng)，進(jìn)而表示至少第一和第二容積與限定所關(guān)心容積的血管的真正重疊。
與此相反，在至少第一和第二測(cè)量返回輻射中的小波動(dòng)表示至少第一和第二容積并未與血管重疊或僅稍微與血管重疊。由于通過分析光學(xué)信號(hào)能很好地確定至少第一和第二容積的位置，該光學(xué)信號(hào)表示在第一和第二容積與指定的所關(guān)心容積之間的重疊，從而能夠精確確定所關(guān)心容積的位置。
所關(guān)心容積的位置由此可被精確確定。優(yōu)選地，通過傳統(tǒng)成像技術(shù)控制橫向位置確定，本發(fā)明的所關(guān)心容積的位置確定是指所關(guān)心容積的深度，例如在人體皮膚表面下的深度。
而且，本發(fā)明的所關(guān)心容積的位置確定決不是僅限于深度的確定。原則上，測(cè)量單元還能夠普遍適用于根據(jù)所關(guān)心容積的光學(xué)性質(zhì)的波動(dòng)來確定所關(guān)心容積的任何橫向位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，第一和第二時(shí)間間隔完全重疊或部分重疊，或者第一和第二時(shí)間間隔定義兩個(gè)不重疊的順序時(shí)間間隔。
當(dāng)?shù)谝缓偷诙r(shí)間間隔重疊時(shí)，可同時(shí)確定至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)。因此，在相同的時(shí)間間隔期間，確定第一和第二容積與所關(guān)心容積之間的重疊度。已知所關(guān)心容積的近似尺寸，還已知第一和第二容積的相互分離和相對(duì)位置，允許根據(jù)至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)的簡(jiǎn)單同時(shí)測(cè)量，確定所關(guān)心容積的位置。
在另一極端情況下，第一和第二時(shí)間間隔完全不重疊，因此，第一和第二容積被順序探測(cè)，是指至少第一和第二容積的空間掃描。大體上，通過所關(guān)心容積連續(xù)地掃描第一容積，對(duì)應(yīng)的指的是第一容積的不同位置的光學(xué)信號(hào)被測(cè)量。然后測(cè)量信號(hào)的最大值表示第一容積和所關(guān)心容積之間最大地重疊。第一容積的對(duì)應(yīng)位置是指所關(guān)心容積的中心。
例如測(cè)量彈性散射光的波動(dòng)能有效地允許獲取和跟蹤毛細(xì)血管的中心，所述散射光在深度變化的不同位置被散射。由于在毫秒的時(shí)標(biāo)中發(fā)生例如血流的波動(dòng)，因此掃描的幀頻足夠高，以允許對(duì)所關(guān)心容積的位置進(jìn)行有效確定和追蹤。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，測(cè)量單元還適用于確定至少第一和第二測(cè)量返回輻射的時(shí)間變化的最大幅度。獲得從多個(gè)不同容積彈性散射的輻射的波動(dòng)，使得能夠找到彈性散射發(fā)出最大波動(dòng)的一個(gè)特定容積。
假定典型毛細(xì)血管的直徑基本上與紅血球的尺寸相同，能夠推斷出單個(gè)血球能夠完全充滿血管的直徑。當(dāng)測(cè)量光束的共焦測(cè)量容積的尺寸與紅血球的尺寸具有相同的范圍時(shí)，且當(dāng)測(cè)量光束的測(cè)量體積基本上與毛細(xì)血管的中心重疊時(shí)，測(cè)量返回輻射的強(qiáng)度波動(dòng)的最大值將會(huì)提高。因此，通過實(shí)施利用測(cè)量輻射的深度掃描和隨后對(duì)在深度掃描期間從被照射的不同容積發(fā)出的彈性散射光的最大波動(dòng)強(qiáng)度的確定，確定光譜系統(tǒng)的所關(guān)心容積所需要的焦深能夠有效地得以確定。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，測(cè)量單元還適用于確定第一和第二測(cè)量返回輻射的時(shí)間變化幅度之間的差異。在該實(shí)施方案中，只有從兩個(gè)容積中發(fā)出的彈性散射光必須進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)谝缓偷诙r(shí)間間隔基本重疊時(shí)這可優(yōu)選適用。這兩個(gè)位置具有相同的橫向坐標(biāo)，但在深度上稍微不同。優(yōu)選地，在第一和第二容積之間的距離略低于血管的典型直徑。收集并分析測(cè)量返回輻射將提供兩個(gè)光學(xué)信號(hào)，該測(cè)量返回輻射在第一和第二容積上被彈性散射，這兩個(gè)光學(xué)信號(hào)具有時(shí)間波動(dòng)的特征。假定第一和第二信號(hào)的波動(dòng)頻率基本相同，但第一和第二信號(hào)之間的波動(dòng)幅度不同。
特別是第一信號(hào)的波動(dòng)幅度是第一容積和血管重疊度的指示。對(duì)于第二強(qiáng)度信號(hào)，類似的假定成立。假定另外一種圓形血管，可得出結(jié)論當(dāng)?shù)谝缓偷诙?qiáng)度信號(hào)的波動(dòng)在幅度上相同時(shí)，第一和第二容積距血管的中心距離相等。
用這種方法，測(cè)量和比較第一和第二強(qiáng)度信號(hào)的波動(dòng)的幅度能夠產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，該控制信號(hào)表示第一和/或第二容積相對(duì)于血管中心的相對(duì)位置。這里，控制信號(hào)僅僅是第一強(qiáng)度信號(hào)幅度與第二強(qiáng)度信號(hào)幅度之間的差值。將該控制信號(hào)提供到適用于控制聚焦單元的控制機(jī)構(gòu)上，以允許建立一個(gè)用于最小化控制信號(hào)的控制回路，從而將第一和第二容積中心定位在血管中心附近。已知第一和第二容積的坐標(biāo)，直接將激發(fā)光束引導(dǎo)入所關(guān)心容積，然后該所關(guān)心容積由第一和第二容積的幾何中心限定。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，測(cè)量光束和激發(fā)光束由同一的光源產(chǎn)生。而且，該激發(fā)光束和測(cè)量光束由同一聚焦單元聚焦。甚至在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量光束實(shí)際上是激發(fā)光束的一部分。當(dāng)將例如拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用在光譜系統(tǒng)中時(shí)，可以假定發(fā)生在樣品中，特別是發(fā)生在光譜系統(tǒng)共焦測(cè)量容積中的多個(gè)散射過程，具有彈性特征。
因此，散射輻射的主要部分被彈性散射在共焦測(cè)量容積中，并能夠用于上述波動(dòng)測(cè)量。反向散射和收集的輻射的一小部分由于非彈性散射過程而受到頻移。這些頻移組分優(yōu)選地與用于樣品光譜分析的彈性散射組分在空間上分開。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，測(cè)量單元包括至少一個(gè)檢測(cè)元件和至少一個(gè)孔徑元件，該孔徑元件形成至少第一和第二測(cè)量反射輻射的孔徑。用于檢測(cè)從至少第一容積中發(fā)出的彈性散射輻射的測(cè)量單元典型地使用一種裝置，該裝置為接受彈性散射測(cè)量的該至少第一和第二容積提供簡(jiǎn)單而有效的移動(dòng)。通過移動(dòng)孔徑和檢測(cè)器，能夠移動(dòng)至少第一和第二容積的位置。檢測(cè)器元件可采用任意一種光電檢測(cè)器來實(shí)施，并且不必提供空間分辨率。為了分辨反射光的時(shí)間波動(dòng)，該光電檢測(cè)器的幀頻必須足夠大，該波動(dòng)典型在毫秒范圍中。傳統(tǒng)商業(yè)上可購(gòu)買到的光電二極管通常能夠滿足這些要求。
孔徑單元可以是任意一種孔徑，例如針孔或者甚至是允許將光學(xué)信號(hào)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)位置的光纖的孔徑。作為選擇，檢測(cè)器元件和孔徑單元的功能能夠并入到針孔尺寸的光電二極管中。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，至少一個(gè)檢測(cè)器和至少一個(gè)孔徑單元可適用于沿至少第一和第二測(cè)量返回輻射的光軸移動(dòng)。用這種方法，至少第一和第二容積的位置能夠任意移位。這允許改變第一和第二容積之間的相對(duì)距離，以使測(cè)量單元適用于在尺寸上不同的多個(gè)所關(guān)心容積。同樣，第一和第二容積的深度位置能夠在不需要移動(dòng)光譜系統(tǒng)的物鏡的情況下變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，第一和第二容積以及測(cè)量容積的中心位于激發(fā)光束的光軸上，其中激發(fā)光束聚焦在測(cè)量容積中。用這種方法，第一和第二容積的位置能夠僅在激發(fā)光束的光軸上移位。這能夠通過對(duì)相應(yīng)孔徑的變型有效地實(shí)現(xiàn)，該相應(yīng)孔徑是沿第一和第二容積反射的輻射的光軸的相應(yīng)孔徑。因此，測(cè)量在第一和第二容積中流體的光學(xué)性質(zhì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)用于精確重新得到和追蹤不同毛細(xì)血管的光譜系統(tǒng)的自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)，具有實(shí)際用途。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，第一和第二容積基本等距離地與測(cè)量容積的中心分開。通過精確確定規(guī)定了與例如特定血管的一些重疊的第一和第二容積的位置，合理地將所關(guān)心容積限定在第一和第二容積之間的幾何中心。因此，所關(guān)心容積基本上與測(cè)量容積重疊。假定一圓形血管，第一和第二容積的幾何中心與血管中心基本重疊，該血管中心與光譜系統(tǒng)的測(cè)量容積中心基本重疊。另外，通過利用許多皮膚的橫向圖像，能夠獲得毛細(xì)血管的尺寸信息，對(duì)該尺寸信息進(jìn)行進(jìn)一步分析能夠優(yōu)化自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)。
在另一方面，本發(fā)明提供一種用于光譜系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，用于確定所關(guān)心容積的性質(zhì)。所關(guān)心容積具有一種隨時(shí)間變化的光學(xué)性質(zhì)，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)程序裝置，計(jì)算機(jī)程序裝置根據(jù)在第一和第二時(shí)間間隔期間通過利用測(cè)量單元測(cè)量至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)來確定所關(guān)心容積的位置。計(jì)算機(jī)程序裝置還適用于通過控制聚焦裝置將激發(fā)光束聚焦到所關(guān)心容積中，并適用于隨后檢測(cè)來自所關(guān)心容積的用于光譜分析的返回輻射。
在另一方面，本發(fā)明提供一種確定所關(guān)心容積的位置的方法，其借助于光譜系統(tǒng)來檢測(cè)所關(guān)心容積的性質(zhì)。該光譜系統(tǒng)具有聚焦裝置，用于將激發(fā)光束聚焦到所關(guān)心容積中，該光譜系統(tǒng)還具有檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)來自所關(guān)心容積各自的返回輻射以用于光譜分析。該確定所關(guān)心容積的位置的方法包括步驟在第一時(shí)間間隔期間測(cè)量至少第一容積的光學(xué)性質(zhì)，在第二時(shí)間間隔期間測(cè)量至少第二容積的光學(xué)性質(zhì)，和根據(jù)至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)確定所關(guān)心容積位置。
特別的，所關(guān)心容積位置的確定和激發(fā)光束的聚焦能夠同時(shí)進(jìn)行。這意味著激發(fā)光束能夠聚焦在一個(gè)任意容積中，激發(fā)光束的彈性散射輻射能夠被分析以確定所關(guān)心容積的位置。該位置確定能夠在控制回路中執(zhí)行，該控制回路分析反射輻射的波動(dòng)，隨后改變激發(fā)光束的共焦測(cè)量容積的深度。
應(yīng)該注意，本發(fā)明并不僅限于特定形式的光譜技術(shù)，例如拉曼光譜法，而是能夠使用其它光譜技術(shù)。這包括(i)基于拉曼散射的其它方法包括受激拉曼光譜法和相干反斯托克斯拉曼光譜法(CARS)，(ii)紅外線光譜法，特別是紅外線吸收光譜法，傅立葉變換紅外線(FTIR)光譜法和近紅外線(NIR)擴(kuò)散反射光譜法，(iii)其它散射光譜技術(shù)，特別是熒光光譜法，多光子熒光光譜法和反射光譜法，和(iv)其它光譜技術(shù)例如光聲光譜法，偏振測(cè)定法和泵針光譜法。優(yōu)選地適用于本發(fā)明的光譜技術(shù)是拉曼光譜法和熒光光譜法。
在下文中，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案將通過參考附圖進(jìn)行更加詳細(xì)地描述，其中

圖1示出光譜系統(tǒng)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的框圖，圖2是利用從第一和第二容積發(fā)出的第一和第二光學(xué)信號(hào)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)框圖的描述，圖3是第一和第二光學(xué)信號(hào)波動(dòng)的描述，圖4示出自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的一個(gè)詳細(xì)的實(shí)施方案，圖5示出一個(gè)具有兩個(gè)部分重疊容積的毛細(xì)血管。
圖1示出用于光譜系統(tǒng)100的自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)的框圖。自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)適用于在皮膚112表面下精確定位所關(guān)心容積114。光譜系統(tǒng)100具有束源102，測(cè)量單元110和聚焦與收集單元104。另外，光譜系統(tǒng)100具有光譜儀，以用于光譜地分析來自所關(guān)心容積114的返回輻射。為了簡(jiǎn)單該光譜儀并未在圖1中說明。
測(cè)量單元110具有檢測(cè)器106和處理單元108。束源102產(chǎn)生激發(fā)光束，該光束被集中到聚焦與收集單元104，其中該束源典型為在近紅外線范圍發(fā)射光的激光器。借助于聚焦與收集單元104，激發(fā)光束116被集中并聚焦到皮膚112表面下的所關(guān)心容積114中。
發(fā)明的聚焦機(jī)構(gòu)利用激發(fā)光束的彈性散射部分強(qiáng)度的波動(dòng)，該波動(dòng)表示測(cè)量容積至少部分地與毛細(xì)血管重疊。聚焦與收集單元104還適用于收集任何一種從所關(guān)心容積114發(fā)出的返回輻射。
特別的，由于彈性散射的返回輻射的部分，即不具有相對(duì)于激發(fā)輻射頻移的特性的部分，與具有可檢測(cè)出頻移特性的光譜信號(hào)分開。彈性散射輻射，以及在所關(guān)心容積114中反射的輻射，被提供到測(cè)量單元110的檢測(cè)器106。檢測(cè)器106依次能夠分析波動(dòng)，特別是反射輻射的波動(dòng)的幅度和/或強(qiáng)度。檢測(cè)器106還連接到處理單元108，根據(jù)檢測(cè)的波動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)。
根據(jù)該控制信號(hào)，處理單元108控制聚焦與收集單元104，以移動(dòng)激發(fā)光束116的共焦測(cè)量容積。優(yōu)選地，共焦測(cè)量容積僅沿激發(fā)光束116的光軸位移，即垂直于皮膚表面。響應(yīng)共焦測(cè)量容積的位移，反射輻射的波動(dòng)幅度也可以改變。這種改變由檢測(cè)器檢測(cè)并經(jīng)處理單元108進(jìn)一步分析。根據(jù)反射輻射的波動(dòng)幅度的改變，處理單元108產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。
聚焦與收集單元104、檢測(cè)器106和處理單元108形成控制回路，用于使幅度最大，幅度即從皮膚112的表面下的不同深度發(fā)出的反射輻射的波動(dòng)的振幅和/或強(qiáng)度。不同容積的不同深度對(duì)應(yīng)反射輻射波動(dòng)的不同幅度。波動(dòng)的最大幅度表示共焦測(cè)量容積和毛細(xì)血管的最大重疊。經(jīng)皮膚112的垂直掃描，由此確定反射輻射波動(dòng)的最大強(qiáng)度出現(xiàn)的容積的位置，允許精確確定所關(guān)心容積114相對(duì)于皮膚112表面的深度。
圖2示出了一個(gè)與圖1類似的實(shí)施方案，其中測(cè)量單元110具有第一檢測(cè)器120和第二檢測(cè)器122。第一檢測(cè)器120以這樣一種方式布置使其僅檢測(cè)從第一容積124反射的輻射。第二檢測(cè)器122以這樣一種方式布置使其僅檢測(cè)從第二容積126發(fā)出的輻射。第一和第二容積124、126與毛細(xì)血管118部分重疊。用于光譜分析的所關(guān)心容積位于毛細(xì)血管118的中心。
流經(jīng)毛細(xì)血管118的血液，特別是紅血球僅僅具有與第一和第二容積124、126相同的幾何尺寸的特征。激發(fā)光束116同時(shí)照射毛細(xì)血管118與第一和第二容積124和146。而現(xiàn)在第一檢測(cè)器120又僅檢測(cè)第一容積124中反射的光，第二檢測(cè)器122適用于僅檢測(cè)從第二容積126中發(fā)出的激發(fā)光束的反射光。
現(xiàn)在自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)明確利用紅血球具有與血漿和周圍組織相比基本不同的反射率的事實(shí)。當(dāng)紅血球流經(jīng)毛細(xì)血管118時(shí)，可以檢測(cè)到反射率明顯地增加。由于在第一容積124和血管之間的重疊基本上不同于第二容積126與血管之間的重疊，所以第一檢測(cè)器120和第二檢測(cè)器檢測(cè)的反射光的強(qiáng)度將會(huì)顯著變化。在這種情況下，由第二檢測(cè)器122檢測(cè)的強(qiáng)度波動(dòng)的幅度將大于由第一檢測(cè)器120檢測(cè)的對(duì)應(yīng)的幅度。
兩個(gè)檢測(cè)器120、122都產(chǎn)生相應(yīng)的強(qiáng)度信號(hào)，這些信號(hào)被傳給處理單元108。處理單元108根據(jù)從第一和第二檢測(cè)器120、122中獲取兩個(gè)強(qiáng)度信號(hào)能夠產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)或差信號(hào)。然后處理單元108控制聚焦與收集單元104，以使容積124、126的每一個(gè)容積與毛細(xì)血管118的重合變成基本相同的這樣一種方式，來稍微移位第一容積124和第二容積126。假定圓形毛細(xì)血管118，第一容積124和第二容積126之間的幾何中心規(guī)定為毛細(xì)血管118的中心。用這種方法，兩個(gè)容積124、126有效地規(guī)定了所關(guān)心容積的位置。
圖3是兩個(gè)強(qiáng)度信號(hào)300、302的描述，該強(qiáng)度信號(hào)由圖2的第一和第二檢測(cè)器120、122產(chǎn)生。此外，圖3說明了兩個(gè)強(qiáng)度信號(hào)300、302的強(qiáng)度波動(dòng)。圖3的圖表的水平軸304規(guī)定為時(shí)間，兩個(gè)垂直軸306、308規(guī)定為每個(gè)信號(hào)300、302的振幅。如圖中所示，第一信號(hào)300和第二信號(hào)302受到不規(guī)則的波動(dòng)。兩個(gè)信號(hào)300、302的波動(dòng)同時(shí)發(fā)生但是幅度不同。這里，第二信號(hào)302的波動(dòng)大于第一信號(hào)300的波動(dòng)，這表示第二容積126與毛細(xì)血管118之間的重疊度大于第一容積124與毛細(xì)血管118之間的重疊度。
自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)旨在最小化兩個(gè)信號(hào)300、302的幅度的差異，以在第一和第二容積124、126與毛細(xì)血管118之間形成相同的重疊，從而允許精確確定毛細(xì)血管118的中心。
通過監(jiān)測(cè)第一信號(hào)300和第二信號(hào)，特別是增加的強(qiáng)度波動(dòng)的頻率，能夠有效地保證兩個(gè)信號(hào)指的是與共同毛細(xì)血管重疊的容積。否則，波動(dòng)的頻率將是相當(dāng)不相關(guān)的。
圖4說明了一個(gè)用于光譜系統(tǒng)400的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的詳細(xì)實(shí)施方案。光譜系統(tǒng)400具有激光器402、第一檢測(cè)器404、第二檢測(cè)器406、光譜儀408、聚焦單元410、三個(gè)針孔412、414、416、二向色鏡432和兩個(gè)分束器434、436。
激光器402產(chǎn)生激發(fā)光束418，該激發(fā)光束418被分束器434反射，并被導(dǎo)向聚焦單元410。優(yōu)選地，激發(fā)光束418的反射部分由聚焦單元410聚焦在所關(guān)心的焦面428上。但是，位于第一焦面430之內(nèi)和第二焦面426之內(nèi)的區(qū)域也受到激發(fā)光束的照射。
用于確定所關(guān)心容積的測(cè)量系統(tǒng)由第一檢測(cè)器404、第二檢測(cè)器406、針孔412和針孔414組成。測(cè)量單元的組件，特別是針孔412和第一檢測(cè)器404以這樣一種方式布置使檢測(cè)器404僅檢測(cè)從第一焦面430附近的容積彈性散射的輻射。類似地，第二檢測(cè)器406和針孔414以這樣一種方式布置使第二檢測(cè)器406僅檢測(cè)從第二焦面426附近的容積彈性散射的激發(fā)光束的彈性散射輻射。
分束器436、434和二向色鏡432的系統(tǒng)以這樣一種方式設(shè)計(jì)使非彈性散射輻射420在二向色鏡432反射然后經(jīng)針孔416導(dǎo)向到光譜儀408。激發(fā)光束418的彈性散射輻射基本由二向色鏡432透射，經(jīng)分束器436分配到兩個(gè)檢測(cè)器404、406。
這里，由第一檢測(cè)器404檢測(cè)的第一測(cè)量返回輻射424表示第一焦面430附近的容積與毛細(xì)血管的部分空間重疊，由第二檢測(cè)器406檢測(cè)的第二測(cè)量返回輻射422表示第二焦面426周圍的容積與毛細(xì)血管之間重疊。檢測(cè)器404、406優(yōu)選地實(shí)施為光電二極管，該光電二極管適用于產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)表示第一和第二測(cè)量返回輻射424、422的強(qiáng)度波動(dòng)的幅度。
針孔412、414適用于可沿第一和第二測(cè)量返回輻射424、422的光軸移動(dòng)。這樣，由第一和第二焦面430、426規(guī)定的共焦測(cè)量容積的中心能夠任意移位。針孔412和/或針孔414或兩個(gè)針孔能夠同時(shí)移動(dòng)，以適應(yīng)于第一和第二測(cè)量返回輻射的波動(dòng)的幅度。這種適應(yīng)固有地規(guī)定了毛細(xì)血管的中心。由于每個(gè)針孔412、414、416的位置規(guī)定了每個(gè)焦面426、428和430的垂直位置，因此能夠精確確定毛細(xì)血管中心的位置。
一旦已知所關(guān)心容積的位置，可以允許針孔416移位以將光譜儀408的共焦測(cè)量容積移動(dòng)到毛細(xì)血管的中心，或者作為選擇地允許以這樣一種方式移動(dòng)聚焦單元410，以使所關(guān)心焦面428與毛細(xì)血管的中心重疊。
為了允許更靈活性地移動(dòng)不同的焦面426、428、430，不僅針孔和焦面適應(yīng)于沿其相應(yīng)測(cè)量返回輻射的光軸移動(dòng)，而且兩個(gè)檢測(cè)器404、406也適應(yīng)于可沿其相應(yīng)測(cè)量返回輻射的光軸移動(dòng)。
特別是利用上述自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)與在皮膚表面下的容積的橫向成像相結(jié)合，允許使自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)適應(yīng)于各種不同尺寸的血管。例如通過獲取具有大焦深特征的皮膚的一個(gè)容積的二維橫向圖像，可用于檢測(cè)血管并用于確定皮膚相對(duì)于光譜系統(tǒng)的橫向位置。血管的橫向圖像還可以進(jìn)一步用于確定血管的尺寸，以允許調(diào)整第一和第二焦面430、426的間隔，該間隔表示針對(duì)被檢測(cè)血管特定尺寸的最佳間隔。
圖5示出焦面426、428和430以及聚焦單元410的放大圖。橢圓形區(qū)域450表示一個(gè)毛細(xì)血管。所關(guān)心容積的中心452位于毛細(xì)血管450的中心附近，并確定了一個(gè)位置，由光譜儀408檢測(cè)到的返回輻射420必須從該位置理想地射出。第一焦面430規(guī)定第一容積440，第二焦面426規(guī)定第二容積442。針孔412和414以這樣一種方式布置使第一檢測(cè)器404僅收集從第一容積440射出的第一測(cè)量返回輻射424。
類似地，以這樣一種方式布置針孔414使檢測(cè)器406僅收集第二容積442附近的第二測(cè)量返回輻射422。表示為第一重疊444和第二重疊446的陰影部分的容積舉例說明了第一和第二容積440、442與毛細(xì)血管450之間的部分重疊。假定血球流經(jīng)毛細(xì)血管，與重疊444、446成比例的對(duì)應(yīng)的波動(dòng)將可由分開的檢測(cè)器404、406檢測(cè)到。
此外，還應(yīng)該注意，本發(fā)明并不僅僅可用于與各種焦面的垂直排列結(jié)合。所關(guān)心容積的位置確定還可借助于容積的光學(xué)檢查，該容積以與所關(guān)心容積部分重疊的方式任意定位。因此，本發(fā)明還可以以水平或以某種方式傾斜的構(gòu)形實(shí)現(xiàn)。因此，至少第一和第二容積并不必須位于直線上，例如光譜系統(tǒng)的光軸上。
附圖標(biāo)記清單100光譜系統(tǒng)102束源104聚焦與收集單元106檢測(cè)單元108處理單元110測(cè)量單元112皮膚114所關(guān)心容積116激發(fā)光束118毛細(xì)血管120第一檢測(cè)器122第二檢測(cè)器124第一容積126第二容積300第一信號(hào)302第二信號(hào)304時(shí)間軸306振幅308振幅400光譜系統(tǒng)402激光器404第一檢測(cè)器406第二檢測(cè)器408光譜儀410聚焦單元412針孔414針孔416針孔418激發(fā)光束420返回輻射422第二測(cè)量返回輻射
424第一測(cè)量返回輻射426第二焦面428所關(guān)心的焦面430第一焦面432二向色鏡434分束器436分束器440第一容積442第二容積444第一重疊446第二重疊450毛細(xì)血管452所關(guān)心容積
權(quán)利要求
1.一種光譜系統(tǒng)(100；400)，用于確定所關(guān)心容積(118；450)的性質(zhì)，所關(guān)心容積具有隨時(shí)間變化的光學(xué)性質(zhì)，所述光譜系統(tǒng)包括測(cè)量單元(110)，用于根據(jù)在第一和第二時(shí)間間隔期間測(cè)量至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)，確定所關(guān)心容積的位置，聚焦裝置(410)，用于將激發(fā)光束聚焦到所關(guān)心容積中，檢測(cè)裝置(408)，用于檢測(cè)來自所關(guān)心容積的返回輻射，以用于光譜分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中測(cè)量單元(110)還適應(yīng)于檢測(cè)來自所述至少第一和第二容積的至少第一和第二測(cè)量返回輻射，所述至少第一和第二測(cè)量返回輻射表示所述至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜系統(tǒng)，其中所述第一和第二時(shí)間間隔完全重疊或部分重疊，或者其中所述第一和第二時(shí)間間隔定義兩個(gè)不重疊的順序時(shí)間間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述測(cè)量單元(110)適應(yīng)于確定所述至少第一和第二測(cè)量返回輻射(424；422)的時(shí)間變化的最大值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述測(cè)量單元(110)適應(yīng)于確定所述至少第一和第二測(cè)量返回輻射(424，422)的時(shí)間變化的值之間的差值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述測(cè)量輻射和所述激發(fā)光束由相同光源(102；402)產(chǎn)生，其中所述聚焦裝置還適應(yīng)于將測(cè)量輻射光束導(dǎo)向到所述至少第一和第二容積中。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述測(cè)量單元(110)包括至少一個(gè)檢測(cè)器元件(106；406，406)和至少一個(gè)孔徑元件(412，414)，所述孔徑元件形成用于所述至少第一和第二測(cè)量返回輻射(424；422)的一個(gè)孔徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述至少一個(gè)檢測(cè)器元件(106；406，406)和所述至少一個(gè)孔徑元件(412，414)適應(yīng)于可沿所述至少第一和第二返回輻射(424，422)的光軸移動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中能根據(jù)所述孔徑元件(412，414)的位置確定所述第一和第二容積(124，126；422，440)的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述第一和第二容積(124，126；422，440)位于所述激發(fā)光束(116；418)的光軸上。
11.根據(jù)權(quán)利要求3的光譜系統(tǒng)(100；400)，其中所述第一和第二容積(124，126；422，440)基本與所述光譜系統(tǒng)的測(cè)量容積的中心等距離地隔開。
12.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，用于確定所關(guān)心容積(114)性質(zhì)的光譜系統(tǒng)(100；400)，所關(guān)心容積具有隨時(shí)間變化的光學(xué)性質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)程序裝置，用于根據(jù)在第一和第二時(shí)間間隔期間通過利用測(cè)量單元(110)測(cè)量的至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)，確定所關(guān)心容積的位置，通過控制聚焦裝置(410)將激發(fā)光束聚焦到所關(guān)心容積中，檢測(cè)來自所關(guān)心容積的返回輻射(420)，以用于光譜分析。
13.一種用于確定所關(guān)心容積(118；450)位置的方法，用于利用光譜系統(tǒng)確定所關(guān)心容積的性質(zhì)，所述光譜系統(tǒng)具有用于將激發(fā)光束聚焦到所關(guān)心容積中的聚焦裝置(410)和用于檢測(cè)來自所關(guān)心容積的返回輻射以用于光譜分析的檢測(cè)裝置(408)，用于確定所關(guān)心容積位置的方法包括以下步驟在第一時(shí)間間隔期間，測(cè)量至少第一容積的光學(xué)性質(zhì)，在第二時(shí)間間隔期間，測(cè)量至少第二容積的光學(xué)性質(zhì)，根據(jù)所述至少第一和第二容積的光學(xué)性質(zhì)確定所關(guān)心容積的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述第一和第二時(shí)間間隔完全重疊或部分重疊，或者所述第一和第二時(shí)間間隔定義兩個(gè)不重疊的順序時(shí)間間隔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于光譜系統(tǒng)(400)的自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)，所述光譜系統(tǒng)適用于確定所關(guān)心容積的性質(zhì)。該所關(guān)心容積具有隨時(shí)間變化的光學(xué)性質(zhì)。本發(fā)明提供一種測(cè)量裝置，該裝置適用于測(cè)量所關(guān)心容積的光學(xué)性質(zhì)的波動(dòng)，從而確定所關(guān)心容積的位置(428)。該光譜系統(tǒng)還適用于將激發(fā)光束(418)聚焦到確定的所關(guān)心容積中，并用于收集從所關(guān)心容積發(fā)出的返回輻射(420)以用于光譜分析。優(yōu)選地，激發(fā)光束(428)的非彈性散射輻射與用于光譜分析的彈性散射輻射分開。再利用激發(fā)光束的彈性散射輻射來測(cè)量所關(guān)心容積的光學(xué)性質(zhì)的波動(dòng)。利用控制回路，使得波動(dòng)的振幅和/或強(qiáng)度能夠最大化，該最大值固有地規(guī)定了所關(guān)心容積的位置，例如毛細(xì)血管(450)的中心。
文檔編號(hào)G01N21/65GK1969215SQ200580020076
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者M·C·范比克, G·盧卡森, M·范德沃特, W·H·J·倫森, D·J·德弗里斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司